基于准静态电容层析技术的液体违禁品检查仪

摘要：引入一种基于准静态电容层析技术的快速液态违禁品检查装置。使用单片机控制一片电容数字转换(CDC)芯片，完成电容的检测，经过单片机的运算换算成相应的介电常数，并迅速判断被检液体是否是违禁品。该设备能有效区分存于4 mm壁厚的容器内的违禁品和安全液体，且能够区分50％的酒精和水，能够使检查过程实现不开瓶、迅速、无辐射。
关键词：液态违禁品；准静态电容层析技术；平面板电容传感器；电容数字转换技术

0 引言
    液体炸药和可燃物的发明和使用已经有相当长的历史，但因威力不如固体炸药强，其在军事等领域使用并不是很普遍。但是近年来恐怖分子和不法分子利用其原料廉价、易取得、制造步骤简单、容易伪装成普通饮料或日用品、易引爆的特点，作为各种类型的恐怖袭击或扰乱治安的工具，严重威胁了公众安全和社会稳定，使得液体违禁品探测得到了广泛关注。
    目前比较普遍的液体违禁品检查仪原理包括：静态X射线断层扫描技术、微波辐射技术、拉曼光谱、气相色谱等，这些方法虽然能够很好地检测液体违禁品，但是也同时存在着不同的缺点，如存在辐射危害、无法克服容器形状和壁厚对检测结果的影响、分析时间长不适于快速安检的环境、体积大、价格高等。
    基于准静态电容层析技术的液态违禁品检查装置，有望解决上述问题。该方法利用易燃易爆液体违禁品与水和其他日常用液体介电常数之间的差别。作为判断依据，采用纯电场测量，无微波、射线、放射源等其他潜在危险因素；能够实现快速检测；能够消除容器形状和厚度对测量结果的影响，无需开瓶；其纯电子测量的原理使其能够做到低成本和实现便携式测量。

1 测量原理
    介电常数可以反映液体的性质，液体危险品的介电常数与水等普通液体相差很大，如表1所示，因此利用准静态电容层析技术测量介电常数，可以判断所测液体是否为液体违禁品。

    根据液体电解质的电容特性推算出其介电常数。
    由可知，当电容极板的距离d与有效面积S确定的情况下，介电常数与电容容量成正比，因此可以通过测量电容值，来推算介电常数。因此该仪器的核心在于检测两固定电极间的电容。但是为了克服容器外形及厚度等对检测结果的影响，需要采用多电极扫描检测的方式，通过求解电场在多电极下的分布情况，来解决这一问题。进行电容扫描测量，也就是快速测量多组电容，因此可以选用CDC(电容数字转化)电路，简化设计过程。

2 电极设计
    一般平行板电容器容易受到边缘效应的影响而破坏了测量精度，本文用以液体检测的电容传感器设计则充分利用边缘效应，采用平面板电容器。多电极中的任意一个电极作为激励电极被提供以交流电压，剩余电极作为接收或探测电极，从而在多电极间形成稳定电场。容器中不同液体拥有不同的介电常数，因此会导致极问电容值产生变化，极间电容的变化和电容边缘效应原理如图1所示。

    设计传感电极需要从三个方面考虑：传感测量电极数目越多，传感器获取信息也就越多，其测量灵敏度相对越高；传感电极几何形状以及电极分布同样决定了是否能够获取到足够的测量信息，从而判断识别容器内不同的液体；考虑到容器的形状不同，会在容器壁上产生波纹状气泡间隙，形成所谓的气隙。由于气隙的存在，特别是当测量电极数目较少，电极分布稀疏，测量数据信息不足以用来判断气隙对测量的影响时，会引起不同程度的容差，导致测量误差和对液体判断失误。 [p]
    基于以上考虑，需要首先确定考虑电极形状的影响。平面板式和电容层析(ECT)式两种方案需要进行对比。两种电极的示意图如图2所示。

    但是由于容器形状多种多样，选择电容层析式很难达到克服容器形状影响的目的。因此考虑选择平面板式传感电极。
    现在需要从电极形状和电极数目方面考虑进一步确定传感电极。为了减少容器形状和壁厚的影响，所选用的电极尺寸应该尽量的小，这样中的S和d就可以看作近似不变的值。但是，小尺寸电极只能提供微小而难以测量的电容值，因此需要减小极间距离来增加电容值。综上，选择尺寸小的线状电极单体阵列进行测量能够满足设计要求。

    最终确定的电极为如图3所示的改进型梳状电极。由于基于边缘效应的电容传感器检测电容很小，需要加强屏蔽，以减少微小的电场变化带来的干扰。因此在传感器的背面增加了大面积的屏蔽电极。为了防止氧化需要在激励电极和接收电极表面覆衬底物质，且必须与屏蔽电极的表面衬底物质厚度和材料，以消除由衬底物质带来的影响。

3 基于CDC的电容检测电路的软硬件设计
    采用CDC电容数字转换器件进行电容测量，可以简化整个设计过程。整个系统基本工作框图如图4所示。

     ADI公司生产的AD7143芯片，其工作电压为2．6～3．6 V，并配有一个工作电压在1．65～3．6 V的I2C串行接口，基本可以满足常见MCU的工作电压范围。为了节约功耗，在闲暇时芯片会转入低功耗模式，此时工作电耗仅为50μA。其内部构成主要包括∑-△转换器、基准电压、激励源、电容数字转换器(CDC)、温度补偿器和一个I2C接口，通过该接口可实现单片机对AD7143内部寄存器和转换结果的控制。
    选用ATmega16作为整个系统的核心MCU，完成对外围器件的控制和最终的数据处理工作。ATmega16基于增强的AVR精简指令集结构的低功耗8位CMOS微控制器，有着先进的指令集和单时钟周期指令执行时间。 [p]
    ATmega16的数据吞吐率高达1 MIPS／MHz，从而有效缓减了系统功耗和处理速度之间的矛盾。其内核有丰富的指令集和32个通用工作寄存器，所有的寄存器都直接与算术逻辑单元(ALU)连接，使得一条指令能够在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器，大大提高了代码效率。
    ATmega16单片机通过串行通信收集电容传感器测量得到的电容值，从而判断被测液体是否属于违禁品。单片机各引脚与外围模块相连，控制整个系统的运行并实现相应的系统功能，包括系统初始化、电容传感器初始化、电容值采集与处理及测量结果显示等。因此，ATmega 16单片机在整个系统中具有非常重要的作用。系统连接图如图5所示。

    图5中，MOSI和MISO引脚用于串行通讯；AJ1，AJ2用于按键输入；PA0～PA7用于连接LCD1602液晶屏显示测量数据；RXD，TXD用于控制MAX3232芯片的发送与接收状态；LED1，LED2用于状态指示灯的控制；C3，C6和Y1组成了频率为16 MHz的时钟电路，能够为ATmega16单片机提供稳定的高精度时钟信号。

    软件流程图如图6所示。按照流程图对单片机编程，完成了整个设计。

4 实验结果
    根据混合物介电常数公式：ε=ε1×P1+ε2×P2(P1和P2为溶质体积分数，ε1和ε2为对应的溶质的介电常数)易得50％的酒精介电常数为51. 4，在表1中介于危险品和安全液体之间，将其作为分界点更为严格。如果该电极能够准确区分50％的酒精和水则该电极灵敏度已经达到较高水平。因此对不同组分的酒精进行了一组实验，检测结果如图7(a)所示。同时，改变容器的形状和厚度，对不同液体进行检测，检测结果如图7(b)所示。

    可以看到在检测过程中，50％的酒精与水显著区分开来，证明该系统具有足够的区分度。而对在壁厚4 mm以下的容器中，常见液体也能够被区分开来。

5 结语
    利用准静态电容层析技术的液体探测器能够区分液体违禁品和普通液体，且体积小，功耗低，实现了快速、安全、无辐射的检测，在检测过程中无需打开容器，单次检测时间在2 s以内，方便快捷，满足了日常安检的需求。
    由于测得的电容值很小，为了加强检测精度，可以考虑提高激励信号频率和幅度的方法。此外为了提高设计可靠性，保证探测精度，除了对电极的屏蔽性需要多加考虑之外，整个仪器的外部屏蔽也相当重要。